Horizontale en verticale as windturbines: Een vergelijking
Windenergie is een hernieuwbare en schone energiebron die de uitstoot van broeikasgassen en de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen kan verminderen. Windturbines zijn machines die de kinetische energie van de wind omzetten in elektrische energie. Er zijn twee hoofdtypen windturbines op basis van de oriëntatie van hun as: horizontaal en verticaal.
Wat is een horizontale as windturbine?
Een horizontale as windturbine (HAWT) wordt gedefinieerd als een windturbine die een horizontale of parallelle as van rotatie heeft ten opzichte van de grond. HAWTs zijn het meest voorkomende type windturbines voor grootschalige elektriciteitsproductie. Ze hebben meestal drie bladen die lijken op vliegtuigpropellers, hoewel sommige er twee of één kunnen hebben.
De belangrijkste componenten van een HAWT zijn:
De rotor, die bestaat uit de bladen en de hub die ze verbindt met de as.
De nacelle bevat de generator, versnellingsbak, rem, yaw-systeem en andere mechanische en elektrische componenten.
De toren ondersteunt de nacelle en de rotor en verheft ze boven de grond om meer wind te vangen.
De fundering verankert de toren aan de grond en overbrengt de belastingen van de windturbine.
Het werkprincipe van een HAWT is gebaseerd op lift, wat de kracht is die een object naar boven duwt wanneer lucht over het oppervlak stroomt. De bladen van een HAWT zijn gevormd als profielen, die een drukverschil creëren tussen hun boven- en onderkant wanneer de wind waait. Dit drukverschil zorgt ervoor dat de bladen roteren rond de horizontale as, wat op zijn beurt de as en de generator aandrijft om elektriciteit te produceren.
Het rotorvlak van een HAWT moet in lijn zijn met de windrichting om de efficiëntie te maximaliseren. Daarom heeft een HAWT een windsensor en een yaw-systeem die de oriëntatie van de nacelle aanpassen volgens de windrichting. Een HAWT heeft ook een pitch-systeem dat de invalshoek van de bladen wijzigt om de rotatiesnelheid en de vermogensuitvoer te controleren.
De voordelen van HAWTs zijn:
Ze hebben een hogere efficiëntie dan verticale as windturbines (VAWTs) omdat ze meer windenergie kunnen vangen met minder sleepkracht.
Ze hebben minder torque ripple en mechanische spanning dan VAWTs omdat ze minder veranderingen in aerodynamische krachten hebben tijdens elke rotatie.
Ze kunnen offshore geïnstalleerd worden op drijvende platforms of vaste funderingen, waar de windsnelheid hoger en consistenter is.
De nadelen van HAWTs zijn:
Ze vereisen een hoge toren en een groot landoppervlak om turbulentie en interferentie van nabijgelegen structuren of terrein te voorkomen.
Ze zijn duurder en complexer om te installeren en te onderhouden dan VAWTs omdat ze meer bewegende delen en elektrische componenten hebben.
Ze zijn gevoeliger voor vermoeidheid en schade door hoge winden, stormen, bliksem, vogels of ijs.
Wat is een verticale as windturbine?
Een verticale as windturbine (VAWT) wordt gedefinieerd als een windturbine die een verticale of loodrechte as van rotatie heeft ten opzichte van de grond. VAWTs zijn minder voorkomend dan HAWTs, maar ze hebben enkele voordelen voor kleinere schaal en stedelijke toepassingen. Ze hebben meestal twee of drie bladen die recht of gebogen kunnen zijn.
De belangrijkste componenten van een VAWT zijn:
De rotor, die bestaat uit de bladen en de verticale as die ze verbindt met de generator.
De generator, die de mechanische energie van de rotor omzet in elektrische energie.
De basis, die de rotor en de generator ondersteunt en ze verbindt met de grond.
Het werkprincipe van een VAWT is gebaseerd op sleepkracht, wat de kracht is die de beweging van een object tegenwerkt wanneer lucht over het oppervlak stroomt. De bladen van een VAWT zijn symmetrisch of asymmetrisch, wat verschillende hoeveelheden sleepkracht creëert wanneer ze de windrichting tegemoet komen of deze weerstaan. Dit verschil in sleepkracht zorgt ervoor dat de bladen roteren rond de verticale as, wat op zijn beurt de generator aandrijft om elektriciteit te produceren.
Het rotorvlak van een VAWT hoeft niet in lijn te staan met de windrichting omdat het wind kan vangen van elke richting. Daarom heeft een VAWT geen yaw-systeem of windsensor nodig. Echter, een VAWT kan wel een pitch-systeem hebben dat de invalshoek van de bladen wijzigt om de rotatiesnelheid en de vermogensuitvoer te controleren.
De voordelen van VAWTs zijn:
Ze hebben lagere installatie- en onderhoudskosten dan HAWTs omdat ze minder bewegende delen en elektrische componenten hebben.
Ze hebben lagere geluidsniveaus dan HAWTs omdat ze langzamer draaien.
Ze kunnen op daken of bij gebouwen geïnstalleerd worden omdat ze lager zijn en een kleiner voetafdruk hebben dan HAWTs.
De nadelen van VAWTs zijn:
Ze hebben een lagere efficiëntie dan HAWTs omdat ze meer sleepkracht en minder lift hebben.
Ze hebben hogere torque ripple en mechanische spanning dan HAWTs omdat ze meer veranderingen in aerodynamische krachten hebben tijdens elke rotatie.
Ze kunnen niet offshore geïnstalleerd worden omdat ze minder stabiel en duurzaam zijn dan HAWTs.
Soorten verticale as windturbines
Er zijn twee hoofdtypen VAWTs op basis van hun bladontwerp: Darrieus en Savonius.
Darrieus turbines
Darrieus turbines zijn VAWTs die gekromde bladen hebben die lijken op een eiermixer of een trochoid. Ze werden uitgevonden door de Franse ingenieur Georges Darrieus in 1931. Darrieus turbines gebruiken zowel lift als sleepkracht om hun bladen te laten roteren. Ze kunnen hoge rotatiesnelheden bereiken, maar ze vereisen een externe startmechanisme, zoals een elektromotor of een andere turbine, omdat ze niet zelf kunnen starten.
De voordelen van Darrieus turbines zijn:
Ze hebben een hogere vermogenscoëfficiënt dan Savonius turbines omdat ze zowel lift als sleepkracht gebruiken.
Ze hebben een lagere soliditeitsratio dan Savonius turbines omdat ze minder bladen hebben met grotere openingen ertussen.
De nadelen van Darrieus turbines zijn:
Ze vereisen een extern startmechanisme omdat ze niet zelf kunnen starten.
Ze hebben hogere centrifugaalkrachten dan Savonius turbines omdat ze sneller draaien.
